光纤传感远程解调系统噪声分离方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤传感远程解调系统噪声分离方法。在远程传输模块最大可传输光功率范围内，选取一组远程传输模块的输入光功率序列；对此序列中的每一个远程传输模块输入光功率值，解调计算此时的系统相位噪声功率谱密度，获得目标频率范围内的噪声功率谱密度均值；根据不同类型噪声的功率谱密度与远程传输模块输入光功率值的函数关系，通过最小二乘拟合方法得到不同类型噪声分量的贡献，实现不同类型噪声源的分离。该方法实现了光纤传感远程解调系统的ASE噪声和DRS噪声两种系统噪声源的分离，提供了准确定位对系统噪声贡献最大的主要噪声源的方法，为系统噪声优化工作的开展指明了方向。

【技术实现步骤摘要】
光纤传感远程解调系统噪声分离方法
本专利技术涉及光纤传感领域，主要是一种光纤传感远程解调系统噪声分离方法。
技术介绍
光纤传感远程解调系统需要对几十甚至数百公里外的光纤传感阵列返回的探测信号进行解调。长距离光纤的传输损耗使得光纤传感阵列返回的光信号极其微弱，使得光电探测结果的信噪比无法满足系统的噪声指标要求，一般需要在光纤传输链路中加入光学放大器以弥补远距离光纤传输损耗。常见的光学放大器有铒掺杂光纤放大器(EDFA)和分布式光纤拉曼放大器等。采用光学放大方案时，阵列返回信号光功率满足光电探测所需的信噪比要求，但光学放大过程本身也会导致光电探测信号的信噪比恶化，主要机理有二：其一是光学放大器本身的放大自发辐射(ASE)光与信号光的随机拍频导致的ASE噪声；其二是光学放大器在对信号光放大的同时也对传输光纤中的双重瑞利散射(DRS)光进行放大，两者拍频将会导致DRS噪声。两种噪声源机理不同，是相互独立的随机过程，不同系统参数下对系统总噪声的贡献也不同。实际系统噪声优化过程中，对两者中贡献更大的主要噪声源进行优化，才能有效降低系统总噪声水平，因此需要准确定位系统的主要噪声源。然而实际的噪声测试过程只能得到系统总噪声大小，无法独立测试各噪声分量的大小，因此需要对系统噪声进行分离，通过分析系统主要噪声源并采用针对性的噪声优化方案，实现系统总噪声的优化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，针对目前光纤传感远程解调应用过程中噪声优化需求，而提供一种光纤传感远程解调系统噪声分离方法。本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的。这种光纤传感远程解调系统噪声分离方法，该方法的步骤如下：(1)在远程传输模块最大可传输光功率范围内，选取一组不同光功率值组成的光功率序列Ps[k]，作为远程传输模块的输入光功率序列；(2)对序列Ps[k]中的每一个远程传输模块输入光功率值，解调计算此时的系统相位噪声功率谱密度，获得目标频率范围内的噪声功率谱密度均值Dphase[k]；(3)根据函数关系式Dphase＝k1/Ps+k2，对(1)和(2)中的噪声功率谱密度序列Dphase[k]和光功率序列Ps[k]用最小二乘法进行拟合，得到常系数k1和k2，分别对应ASE噪声和DRS噪声分量，计算此时输入光功率序列Ps[k]对应的ASE噪声和DRS噪声所致的噪声功率谱密度序列Dphase_ASE[k]和Dphase_DRS[k],实现两种噪声源的分离。作为优选，远程传输模块输入光功率由解调机通过第一个MEMS光衰减器设定，通过1/99耦合器监测；解调机通过第二个MEMS光衰减器调节探测器输入光功率均值恒定。专利技术原理：放大自发辐射噪声和双重瑞利散射噪声作为光纤传感远程解调系统的两种主要噪声源，其噪声机理不同，两者功率叠加成为系统噪声主要来源。放大自发辐射噪声和双重瑞利散射噪声导致的相对强度噪声功率谱密度DASE和DDRS分别为：式中，ρASE是ASE光功率谱密度，Ps是信号光功率；Rεdir是直接传输光的归一化自相关函数，F[.]表示傅里叶变换。系统总相对强度噪声功率谱密度DRIN为两种噪声的叠加：DRIN(f)＝DASE(f)+DDRS(f)(3)可见放大自发辐射噪声功率谱密度与信号光功率成反比，而双重瑞利散射噪声功率谱密度仅与光源的归一化自相关函数有关，与信号光功率无关。通过信号解调过程，相对强度噪声功率谱密度DRIN会转化为系统的相位噪声Dphase，两者一般成正比。因此系统的总相位噪声功率谱密度Dphase是信号光功率的函数，且可以表示为：式中，k1和k2是与系统参数有关的常系数，分别表征放大自发辐射噪声和双重瑞利散射噪声项。因此，若测得一组不同光功率值组成的光功率序列Ps[k]对应的系统总相位噪声功率谱密度序列Dphase[k]，即可通过最小二乘法拟合的方法获得系数k1和k2的拟合结果，从而分别计算不同信号光功率时，放大自发辐射噪声和双重瑞利散射噪声对系统总相位噪声的贡献Dphase_ASE和Dphase_DRS。根据计算结果的大小，可确定此时系统的主要噪声源，为进一步进行系统噪声优化工作提供实验依据。本专利技术的有益效果为：实现了光纤传感远程解调系统的ASE噪声和DRS噪声两种系统噪声源的分离，提供了准确定位对系统噪声贡献最大的主要噪声源的方法，为系统噪声优化工作的开展指明了方向。该方法实现简单，且通过增加拟合序列的长度可提高测试精度，分离结果精度高，可靠性好。附图说明图1是典型测试系统组成的原理框图。图2是采用本专利技术的方法对某远程解调系统进行的系统噪声测试和噪声分离结果。图中：1、光发射模块，2、第一个MEMS光衰减器,3、1/99耦合器，4、远程传输模块，5、传感阵列，6、第二个MEMS光衰减器,7、探测器，8、光功率计，9、解调机。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做详细的介绍：图1是典型测试系统组成的原理框图。光发射模块1产生远程传输模块4所需的下行光信号，其发射的光信号进入远程传输模块4前先经过第一个MEMS光衰减器2和1/99耦合器3，耦合器的1％输出端连接光功率计8，光功率计8示数的99倍作为远程传输模块的输入光功率Ps.远程传输模块4经过传感阵列5后的返回信号通过第二个MEMS光衰减器6后经探测器7转换为电信号，进入解调机9，解调机9解调得到系统的相位噪声功率谱密度。解调机9通过控制两个MEMS光衰减器2、6的输入电信号控制光衰减比例。两个MEMS光衰减器2、6协同工作以保证远程传输模块不同输入光功率时探测器的输入光功率保持基本不变，从而不会导致探测器噪声性能的恶化，因此实际调节过程中，第一个MEMS光衰减器2衰减增大XdB时，第二个MEMS光衰减器6的衰减总是相应减小XdB.该方法的实现步骤如下：(1)调节光发射模块1和第一个MEMS光衰减器2，使远程传输模块工作在系统可传输的最大输入光功率状态，调节第二个MEMS光衰减器6使探测器7工作在最佳输入光功率，记录此时的远程传输模块输入光功率Ps[1]，解调得到此时的系统相位噪声功率谱密度，获得目标频率范围内的相位噪声功率谱密度均值Dphase[1]；(2)逐渐减小远程传输模块输入光功率，生成远程传输模块输入光功率序列Ps[k]；(3)调节两个MEMS衰减器2、6，按生成的序列Ps[k]逐一测试对应的系统相位噪声功率谱密度序列Dphase[k]；(4)根据函数关系式Dphase＝k1/Ps+k2，对序列Dphase[k]和Ps[k]用最小二乘法进行拟合，得到常系数k1和k2，分别对应ASE噪声和DRS噪声分量，计算此时输入光功率序列Ps[k]对应的ASE噪声和DRS噪声所致的噪声功率谱密度序列Dphase_ASE[k]和Dphase_DRS[k],从而实现两种噪声源的分离。图2是一组数据及其拟合曲线。横坐标是远程传输输入光功率序列Ps[k]，单位dBm；纵坐标是相应的噪声功率谱密度序列Dphase[k]，单位dB/Hz。圆圈点为测试结果，黑色曲线是拟合结果。表1是与图2对应的测试数据及其拟合和噪声分离结果。第一列是远程传输输入光功率序列Ps[k]；第二列是测得的噪声功率谱密度序列Dphase[k]；第三列是Dphase[k]的拟合结果，与实际测试结果基本一致；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤传感远程解调系统噪声分离方法，其特征在于该方法的步骤如下：(1)在远程传输模块最大可传输光功率范围内，选取一组不同光功率值组成的光功率序列Ps[k]，作为远程传输模块的输入光功率序列；(2)对序列Ps[k]中的每一个远程传输模块输入光功率值，解调计算此时的系统相位噪声功率谱密度，获得目标频率范围内的噪声功率谱密度均值Dphase[k]；(3)根据函数关系式Dphase＝k1/Ps+k2，对(1)和(2)中的噪声功率谱密度序列Dphase[k]和光功率序列Ps[k]用最小二乘法进行拟合，得到常系数k1和k2，分别对应ASE噪声和DRS噪声分量，计算此时输入光功率序列Ps[k]对应的ASE噪声和DRS噪声所致的噪声功率谱密度序列Dphase_ASE[k]和Dphase_DRS[k],实现两种噪声源的分离。

【技术特征摘要】
1.一种光纤传感远程解调系统噪声分离方法，其特征在于该方法的步骤如下：(1)在远程传输模块最大可传输光功率范围内，选取一组不同光功率值组成的光功率序列Ps[k]，作为远程传输模块的输入光功率序列；(2)对序列Ps[k]中的每一个远程传输模块输入光功率值，解调计算此时的系统相位噪声功率谱密度，获得目标频率范围内的噪声功率谱密度均值Dphase[k]；(3)根据函数关系式Dphase＝k1/Ps+k2，对(1)和(2)中的噪声功率谱密度序列Dphase[k]和光功率序列Ps[k]用最小二乘...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪樟海，张红，徐汉锋，王巍，李东明，葛辉良，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33